過硫酸鈉測定水中總氮的可行性探究

李 琳，包俊金，潘 瑩

(1.云南省生態(tài)環(huán)境廳駐昆明市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，云南 昆明 650228；2.昆明市綠化工程質量監(jiān)測站，云南 昆明 650228)

1 研究背景

1.1 總氮測定的意義

總氮是指水體中的氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和各種有機態(tài)氮的總量。水中氮的來源是多方面的，如氮肥的使用、工業(yè)污水、垃圾堆放場、人畜糞便、天然有機氮或腐殖質的降解和硝化。

總氮是衡量水體受污染程度和富營養(yǎng)化程度的重要指標之一，水體中含氮量的增加不僅會導致水質下降，而且會使水體中浮游生物和藻類大量繁殖，消耗水中的溶解氧，從而加速水體的富營養(yǎng)化和水體質量惡化，甚至可能進一步暴發(fā)水華等自然災害，給人類帶來重大的損失[1]。因此，研究并掌握水體中總氮的檢測方法，具有重要的意義。

1.2 課題的提出及研究內容

目前，國際標準HJ 636-2012中的總氮測定方法為堿性過硫酸鉀紫外分光光度法，該方法可測定水中亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氨、無機銨鹽、溶解態(tài)氨及大部分有機含氮化合物中氮的總和。

但是，在監(jiān)測分析過程中發(fā)現，由于過硫酸鉀的溶解度較低，0℃時溶解度1.75g/10mL水，20℃時溶解度5.3g/100mL水，而實驗中所需該試劑的濃度為4g/100mL，所以需要很長時間對過硫酸鉀進行溶解。并且在室溫比較低的冬天，過硫酸鉀很容易結晶析出。而過硫酸鈉易溶于水，用其配制堿性消解液比較容易，在幾分鐘內即可溶解完全[2]。

針對以上問題，本文將通過實驗來比較兩種試劑對標準曲線、十二種含氮標液的影響，探究使用過硫酸鈉代替過硫酸鉀的可行性。

2 儀器與試劑

2.1 實驗儀器

高溫高壓滅菌鍋(型號：LDZX-50KBS，上海申安醫(yī)療器械廠)；可見分光光度計(型號：VIS-723N，北京瑞利儀器有限公司)；電子分析天平(型號：AE200S，瑞士Mettler Toledo 儀器公司)。

2.2 實驗試劑(所有試劑均用無氨水配制)

堿性過硫酸鉀溶液：稱取4.0g過硫酸鉀，溶于60mL 水中；另稱取1.5g氫氧化鈉(玻璃燒杯稱取)溶于10mL水中；待氫氧化鈉溶液溫度冷卻至室溫后，混合兩種溶液至容量瓶中，定容至 100mL，存放于聚乙烯試劑瓶中。

堿性過硫酸鈉溶液：配置方法同上。

鹽酸溶液(1+9)：濃鹽酸和無氨水的體積比為1∶9。用5mL移液管移取濃鹽酸5mL于試劑瓶中，再移取45mL超純水，混勻。

硝酸鉀標準貯備液：濃度為10nM。

硝酸鉀溶液：用10mL微量加樣器量取 10.00mL 標準貯備液至 100mL 容量瓶中，用水稀釋至標線，混勻，得到1nM標準使用液。

12種含氮標液原始濃度見表1。

表1 12種含氮標液分子式及濃度

3 過硫酸鈉與過硫酸鉀消解的對比

3.1 標準曲線對比實驗

3.1.1 實驗步驟

(1)標準曲線溶液的配制：分別量取0.00、0.20、0.50、1.00、3.00 和7.00mL 硝酸鉀標準使用液于6支棕色玻璃消解管中，加水稀釋至10.00mL，再加入5.00mL 堿性過硫酸鉀溶液，塞緊管塞(需做好標記)。按以上的操作，再配制一組相同濃度梯度的標準曲線，加入5.00mL堿性過硫酸鈉溶液作為消解劑。

(2)消解：將消解管置于高溫高壓滅菌鍋中，打開開關，加熱消解 50min。取出消解管冷卻至室溫，按住管塞將比色管中的液體顛倒混勻2～3次。

(3)比色：每個消解管分別加入 1.0mL 鹽酸溶液，用水稀釋至 25mL 標線，蓋塞混勻。使用10mm石英比色皿，在紫外分光光度計上，以水作參比，分別于波長220nm和275nm處測定吸光度，并進行準確的數據記錄。

3.1.2 實驗數據對比、分析

本次實驗分別消解測定使用過硫酸鉀和過硫酸鈉作為消解劑的標準曲線各4組，共計8組標準曲線。消解的各組標準曲線吸光值以及斜率、方程見表2。

表2 消解結果對比

對表2數據的斜率與截距分別進行單因素方差分析，結果見表3。

表3 兩者斜率的單因素方差分析結果

假設H0為兩者斜率均值差異無統計學意義(α=0.05)。由上述結果可知，統計量F=8.901907，P=0.024522<0.05, 則拒絕H0，認為兩個組總體斜率均值的差別是具有統計學意義的。

同理，對截距進行單因素方差分析結果見表4。由檢驗結果可知，統計量F=70.19018，P=0.000157<0.05, 則拒絕H0(α=0.05)，認為兩個組總體截距均值的差別是具有統計學意義的[3]。

表4 兩者截距的單因素方差分析結果

3.1.3 標準曲線對比小結

使用過硫酸鈉和過硫酸鉀消解總氮時，所得標準曲線的截距、斜率都有差異。而0.000157<0.245, 截距的差異不如斜率顯著。但并未進一步探究這種差異性對總氮測定結果的實質性影響。

3.2 消解率對比

3.2.1 過硫酸鈉消解實驗結果

使用過硫酸鈉對12種含氮標液進行消解實驗，每組3個平行樣，所得到的實驗數據如表5所示。

表5 過硫酸鈉消解率 (%)

3.2.2 過硫酸鉀消解實驗結果

同樣使用過硫酸鈉消解，所得到的實驗數據見表6。

表6 過硫酸鉀消解率 (%)

3.2.3 實驗結果對比

由下面的柱形圖可以明顯看出，過硫酸鈉與過硫酸鉀在消解12種含氮標液時，針對個體而言，是有差異的，兩者不能完全等同，但這種差異針對整體而言是否顯著還需要進行統計學的顯著性差異檢驗。

圖1 兩者消解結果對比圖

3.2.4 統計學檢驗

3.2.4.1F檢驗

在對各組樣本數據進行t檢驗之前，先要對各組樣本數據進行方差齊性檢驗，采用F檢驗來完成。由下述檢驗結果可知，表中P值等于0.100039(α=0.01)>0.05，所以，兩兩配對的樣本數據方差是齊性的，即各兩組數據的方差不存在顯著性差異，可以進行t檢驗。

表7 F-檢驗 雙樣本方差分析結果

3.2.4.2 顯著性差異t檢驗

對兩組數據進行兩兩配對的顯著性差異檢驗，結果如下：t檢驗的計量結果表明，P(單尾)等于0.318973，P(雙尾)等于0.637945，均>0.05，所以，樣本各兩組數據在統計學上沒有顯著性差異，即兩組數據的均值在統計意義上是相等的。因此，過硫酸鉀與過硫酸鈉在消解12種含氮標液時，雖然針對個體會有消解率的差異，但是總體上未發(fā)現存在顯著性差異。

3.2.5 消解率對比小結

由上述結果可知，過硫酸鈉和過硫酸鉀在消解12種含氮標液時雖然不是完全等同的，但是本次實驗在整體上未發(fā)現兩者之間存在顯著性差異，也未能發(fā)現這種針對個體的差異具有規(guī)律性。因此，可以使用過硫酸鈉代替過硫酸鉀。

但兩者對不同結構的含氮標液存在不同的消解效率，可能與含氮標液的結構、性質有關，即或是由于其他因素導致兩者的差異，還有待進一步探究。

表8 t-檢驗: 成對雙樣本均值分析

3.3 光譜掃描結果對比

過硫酸鉀與過硫酸鈉在消解12種含氮標液時，并不存在顯著性差異，但兩者的標準曲線存在斜率和截距的差異，過硫酸鉀空白值偏高，因此，通過對消解前和未消解的過硫酸鉀和過硫酸鈉進行光譜掃描，初步探究過硫酸鉀空白值偏高的原因。

3.3.1 未消解的過硫酸鈉和過硫酸鉀

未消解的過硫酸鈉和過硫酸鉀光譜掃描結果如圖2所示：兩者在未進行消解前，在200nm到800nm的吸收光譜幾乎重合，并不存在顯著的差異性。

圖2 光譜掃描結果

3.3.2 消解后的過硫酸鈉和過硫酸鉀

消解50min的過硫酸鈉和過硫酸鉀光譜結果如圖3所示：過硫酸鈉消解之后，在紫外光區(qū)的最高吸收峰有所轉移，220nm處過硫酸鉀吸光度為1.541，過硫酸鈉為0.5504。故使用過硫酸鈉能夠有較低的空白值。

圖3 消解后光譜掃描結果

3.3.3 光譜掃描小結

過硫酸鉀消解后相較于過硫酸鈉有更大的空白值，這是由于在消解后，過硫酸鈉的最大吸收峰有所轉移，其在220nm并不存在最大的吸收，造成實驗空白值的降低。

4 結論與展望

4.1 結論

紫外可見分光光度法測定水樣中總氮時，出現空白值偏高的現象，這將直接加大分析系統的測試誤差，更低的空白值會使總氮測定的結果更準確[4]。上述實驗結果顯示，過硫酸鉀消解總氮時，空白值高于過硫酸鈉。從降低空白值的意義上來說，過硫酸鈉優(yōu)于過硫酸鉀。

兩者的斜率以及截距均存在統計學差異。但并未進一步探究這種差異性對總氮測定結果的實質性影響。本次實驗在整體上也未發(fā)現兩者之間存在顯著性差異。在消解12種含氮標液時未發(fā)現兩者之間存在顯著性差異。

過硫酸鈉相較過硫酸鉀配制更為簡單，保存也更為方便[5]。所以，使用過硫酸鈉作為消解劑，不僅方便試劑的保存與配制，而且降低了總氮測定的空白值，保證了總氮測定分析的準確度和精密度，滿足總氮測定的技術要求[6]，認為使用過硫酸鈉代替過硫酸鉀具有可行性。

4.2 展望

本文在使用兩種不同的消解劑消解標準曲線的過程中，發(fā)現兩者的斜率以及截距均存在統計學差異，差異是否存在一定的規(guī)律和影響因素，會不會對總氮測定產生實質性的影響，還需要后續(xù)實驗研究。

消解后的過硫酸鈉發(fā)生最大吸收峰的轉移，也有待進一步探究。

在兩者的消解對比實驗中，兩者不是完全等同的，針對個體還是具有差異，而這種差異是由于實驗誤差引起的偶然現象，還是與含氮標液的結構、性質有關，即兩者對不同結構的含氮標液是否存在不同的消解效率，還未可知。